An Advanced Musculoskeletal Humanoid Kojiro
一个先进的肌肉骨骼类人的Kojito
Mizuuchi I , ... , Masayuki Inaba
2007 7th IEEE-RAS International Conference on. IEEE, 2008.
摘要：
我们一直在推广一个肌肉骨骼类人的项目。该项目的目标是人类共生机器人的长期目标，以及肌肉骨骼机器人必要的设计和控制概念的中期目标。本文介绍了该项目的概念和目的，并概述了我们最新的研究成果，即开发新的肌肉骨骼类人型Kojiro，这是我们之前的Kotaro的后续版本。
1.介绍
类人机器人将与人类生活在一起，协助人类完成日常任务。安全性和通用性将是此类应用的关键特性。目前普通的类人机器人不适合在我们的日常环境中工作。缺乏安全性和通用性是原因之一;又硬又重的身体会伤害到人或周围的物体，而传统的类人机器人与人类在日常生活中所做的相比，只能完成很少的有限的任务。我们一直在研究肌肉骨骼类人形机器人[1]，参考人体的肌骨结构和肌腱驱动系统等人体结构。在日本举行的05年世博会的一个名为“原型机器人”的展览上，我们开发了一个超多自由度可变柔性脊椎肌肉骨骼类人Kotaro[2]，[3](图2已经显示出一种获得柔软、自然和多功能性的方法）。
本文介绍我们最新的肌肉骨骼类人Kojiro项目。在之前的Kotaro项目中，我们展示了各种方案。由仿人肩胛骨和锁骨组成的肩关节具有广泛的活动范围。通过添加圆形的肌肉单元，即使在设计阶段[5]之后，肌肉驱动机器人也可以得到增强。利用手机摄像头[6]实现球形关节的三维角度传感器，帮助估计球窝关节的三维旋转姿态。绷带式触觉传感器和肉质触觉传感器实现了与儿童的自然交互。Kotaro可以通过在真实的[7]环境中进行自我重复训练来实现一个循环。我们也认识到通过加强肌肉[8]来站立。
Kotaro的问题之一是执行器性能的限制较低，传感器的重复性和可靠性也较低。传感器的可靠性对于像Kotaro这样需要学习或自我训练以获得基于感觉信息的各种运动的复杂机器人来说是非常重要的。几乎所有的动作都需要一些感官信息。执行器性能的问题来自于商用电机的局限性。新发布的maxon系列无刷电机与maxon以前的直流电机相比，功率/重量非常高。我们决定通过开发一个非常小的放大电路板来整合无刷电机。
关于肌肉骨骼柔性类人脊椎的研究较少。或者说s类人柔性脊柱[9]的工作重点在于人的柔性脊柱，这说明目前人体远比机器人复杂。他还开发了一个灵活的类人脊椎原型，尽管它不是肌肉驱动的。
2.肌肉骨骼人形——从KOTARO连续性
从Kotaro项目以及保持连续性,Kojiro的目标项目包括各种行为在现实世界中实现大大提高物理性能,准确和自我身体状态的可重复获取,将大大提高传感性能,和全系统的可靠性冗余和噪声容忍度。图1为小次郎的CAD图像。目前骨盆、双腿、脊柱下段、头部、颈部已完成[10]、[11](图4、图5)，胸部、肩部、手臂、手的设计处于最后阶段。Kojiro的整个身体将在今年9月左右完成。
我们的Kojiro项目旨在展示肌肉骨骼类人的优势，这也是小次郎项目的目标。除此之外，Kojiro计划的目标是克服太郎的弱点。以下项目是作为肌肉骨骼类人研究的Kotaro项目的目标。
A.多自由度
丰富的自由度带来了丰富多样的适用任务和对各种环境的高度适应性。肌肉骨骼结构适合于增加自由度，因为一些肌肉可以协同工作，而串联关节机器人结构的每个执行器不能协同工作。
B.多个关节脊柱
脊柱是人体最复杂的关节部位。人类在许多动作中无意识地有效利用脊柱，脊柱的运动对环境的适应性和姿势的可调适性有很大的贡献。
C.多传感器
Kotaro有各种各样的传感器。每台马达都有1个旋转编码器、1个拉力传感器、1个电流感应电路和1个温度传感器。无线角度传感器[6]被嵌入到一些球形关节中。两个六轴力传感器嵌入在两个脚踝。三个陀螺仪传感器和一个三轴加速度计安装在头部。Kotaro还有立体视觉和立体听觉。Kotaro有两种触觉传感器。Kojiro也将配备这些传感器。
D.机械柔性
许多传统的类人身体是刚性的，不建议与人碰撞。与人类或动物相比，它们的动作也很僵硬。我们一直在挑战彻底改变全身机器人的结构;我们已经开发了几种具有机械柔软性的全身机器人。
E.节间弹性元件
人体脊柱椎骨之间有弹性和粘性元件，具有减震等功能。对于肌肉骨骼类人形机器人，这些元素产生一种力量，使其恢复到最初的姿势，这种力量通常是对抗重力的，并帮助执行机构。此外，弹性和粘度使系列关节的姿态更加平滑，增加了姿态的稳定性。
F.自适应关节刚度
由于线致动器有张力传感器，因此可以根据张力传感器的反馈来控制肌腱的张力。通过对导线的受力控制，可以控制接头的刚度。有些情况下需要刚硬或柔软。
G.强化肌肉
我们所说的可强化肌肉，指的是很容易增加或减少肌肉，或重新安排肌肉附着的位置。人与动物的肌肉会随着年龄的增长而增强，而传统的类人机器人的执行机构是很难增加、减少或改变的。由于期望任务的多样性，在设计阶段很难确定类人机器人的执行机构布置和功率分配。强化肌肉[12]的概念可以根据需要的任务调整执行器的平衡。我们设计了一个肌肉单元(图3)。肌肉附着位置(两端)可以自由改变。每个肌肉单元由一个带齿轮的直流电动机、一个滑轮、一个使用应变计的拉力传感器、一个温度计、一个传感器放大器电路板(18[mm] 12[mm])和一个圆形外壳组成。
H.令人影响深刻
由于骨骼的结构和关节的排列与人相似，而身体的柔软性又决定了骨骼的柔软性，所以我们可以期待这种肌肉骨骼类人动物会有更自然的动作，更接近人类的动作。
3.从Kotaro到Kojiro
A.执行机构性能的显著改善
Kojiro项目的一个目标是显著提高移动性能。通过显著提高性能，我们希望通过肌肉骨骼类人实现各种运动，包括现实世界中的运动。Maxon电机公司在开发了Kotaro之后发布了一款新的无刷电机，Kotaro是我们之前为世博会开发的肌肉骨骼类人机器人。新型无刷电机EC-1640w是一款非常小、轻量、大功率的电机，直径为16[mm]，包括输出轴在内的长度为66.4[mm]，重量为58[g]。与Kotaro使用的4.5W直流电动机相比，其名义输出功率大约是Kotaro 4.5W直流电动机的9倍，而尺寸和重量几乎是一样的。
为了介绍新的大功率电机，我们开发了一个非常小的无刷电机驱动电路板(图6)。板的尺寸是46[mm] 36[mm] 7.5[mm]。该板可以驱动两个无刷电机。电源线最大输入电压为48[V]，每台电机最大连续输出电流为6[A]。这个板可以产生20[A] 15[s]。板上有单片机和CPLD，可以通过USB与远程PC进行通信。USB线的协议和Kotaro的电路板使用的协议是一样的，我们可以使用同样的软件系统来控制Kojiro。
为了从无刷电机中提取更高的电势功率，提出了一种主动温度控制方法。该方法能安全地提高电机的输出功率。主动温度控制是通过安装在电机上的温度传感器，根据电流消耗历史和传感器测量的温度信息来估计内部温度来实现的。所开发的系统根据电机内部的估计温度自动调整输出电流限制。通过该系统，电机在一定的短时间内可以产生比额定功率大得多的功率。这一特性对于类人机器人非常有效，类人机器人不一定需要持续产生大量能量，而是需要瞬间产生大量能量。在小次郎的设计中，我们通过考虑骨头内部空气的流动来设置风扇。
为了验证高性能运动的可行性，我们用小次郎的身体做了一些实验。目前，我们可以在小次郎的胸前加上一个砝码，我们可以设定与未来小次郎上半身计划重量相同的砝码。图7显示的是小次郎的一些动作，这是12.5公斤的重量。我们通过实验取得了良好的成绩。
B.知觉表现的改善
一般来说，具有机械柔性的肌肉骨骼类人是一个非线性较强且难以精确建模的系统。为了控制这样一个系统，一种学习方法是有效的。身体和/或控制算法的学习特性是必要的。在Kotaro的情况下，关节姿态传感器和张力传感器的重复性和准确性都不高，很难获得身体的准确状态。张力传感器采用应变计来测量张力。单个传感器存在温度漂移和差异。我们必须设法利用传感器来学习;我们准备了一个外部传感器来代替嵌入式内部传感器，或者在传感器重复性高的区域进行了实验。
在小次郎项目中，我们改进了传感器的感知性能。我们在小次郎的所有关节上都安装了关节角度传感器，包括转动膝关节。至于眼球和肩胛骨，Kotaro很难测量出这些元素的精确姿势。在Kojiro的案例中，我们使用旋转编码器来获得眼球、肩胛骨和锁骨的精确位置。虽然我们使用Kotaro[7]做了一些学习的实验，但是我们将能够通过Kojiro更深入地解决学习问题。
C.新的肩胛骨-锁骨结构
Kotaro的仿人肩关节结构由一个肩胛骨和一个锁骨组成，这对他的活动范围和在肩关节内部制造空间是一个挑战。太郎的肩膀有三个球窝关节:胸部和锁骨的关节，锁骨和肩胛骨的关节，肩胛骨和上臂的关节。虽然每个球形关节都有一个使用手机摄像头[6]的关节角度传感器，但是很难计算出手的准确位置和方向。虽然小次郎的肩膀也由锁骨和肩胛骨组成，但锁骨两端的关节是转动关节，并装有旋转式编码器。只有位于肩胛骨和上臂之间的肩关节是球形关节，关节的角度是由移动电话相机传感器测量的。通过这种设计，我们可以从胸部获得更精确的肩胛骨姿态，我们可以获得更精确的手的位置和方向。
D.非线性弹性元件
一般情况下，线驱动机器人可以通过在金属丝[14]中连续插入非线性弹簧元件来改变关节的机械刚度。张力越大，非线性弹簧的刚性越强。非线性弹簧的结构趋于复杂和庞大。我们设计了一个新的紧凑型非线性弹簧单元(图8)，它可以嵌入到正常尺寸的人形前臂中，并计划将该单元插入小次郎的各种肌肉肌腱中。
4.结论
本文介绍了肌肉骨骼类人机器人小次郎的设计方案。小次郎被定位为之前的人形小太郎的下一个版本，小太郎是为05年世博会开发的。Kotaro的亮点在于利用改良的肌肉单位来强化肌肉，从而实现站立。我们不断地进行机械方面的改进，同时研究如何找到和创建感控-电机协调的控制和处理机制和算法，以实现机器人的生长。推进和发展肌肉骨骼类人研究可以跟踪一个人类婴儿的发展过程。
我们假设平衡使用传感器反馈将实现利用脚踝6轴力传感器，然后研究步行。其他未来的研究包括多模态多传感器自主发现环境约束的机制，通过控制肌肉张力实现运动，而不考虑长度等。从中期到长期，对气动或电活性聚合物致动器等人造肌肉的研究，对关节囊关节结构的研究，如人体关节、软肉、能源等也将成为课题。我们的目标是实现一个像人类一样柔软、灵活、适应性强的类人生物。